三元鋰電池熱失控射流可視化及速度場測試

劉昊東，張鵬飛，黃鈺期

（浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310027）

隨著電動汽車的日益普及，電動汽車電池的安全評價關乎到車輛的安全性和用戶的使用體驗[1]。電池熱失控研究在提高電動汽車安全性、優化電池設計和材料選擇、改進電池管理系統、推進電動汽車技術發展、增強消費者信心以及支持政策制定等方面具有重要意義。尤其是對于廣泛應用的三元鋰電池而言，其在電池材料選擇和組件設計、熱失控機理、熱失控防范措施以及溫度控制和熱管理等領域不斷涌現新的研究和成果[2]。

當三元鋰離子電池處在高溫環境下，電池內部的電解液和電極材料可能發生熱分解反應，熱分解反應導致電解液中的有機溶劑、電解質和添加劑等成分分解成氣體；此外，電池正極和負極的電極材料可能與電解液中的氧氣發生氧化反應，產生氣體。這些氣體聚集成氣泡，可能堵塞通道或導致局部區域壓力逐漸增加。當內部壓力達到臨界點時，電池正負極表面的氣泡會以高速射流的形式從氣孔或通道中釋放。在電池熱失控的過程中，存在兩次典型的射流現象：首先，第一次射流出現在安全閥打開瞬間，內部積聚的可燃氣體、電解質蒸氣以及液滴會以高速射流的方式流出；其次，第二次射流在熱失控開始后發生，隨著電池溫度迅速升高，內部副反應加速進行，產生大量可燃氣體和固體顆粒，從而引發第二次射流現象。射流現象可能導致電池殼體破裂，電解液泄漏，進而導致電池系統的火災、爆炸等嚴重安全事故。研究三元鋰離子電池熱失控的射流速度場在以下幾個方面具有重要意義。

（1）電池內部壓力研究。通過研究射流速度場，可以了解電池內部壓力隨溫度的變化情況，有助于預測電池的安全性和穩定性。此外，通過對射流速度場的研究，可以確定導致射流現象發生的臨界壓力值，幫助研究者理解電池熱失控的發展過程。

（2）仿真分析校驗。通過與實驗數據進行比較，對后續仿真模型的校驗提供參考，有助于驗證模型的準確性和可靠性，從而改進仿真模型，使其更符合實際情況。

（3）結構設計優化。通過研究射流速度場，可以深入了解電池內部氣體釋放和流動的行為。這有助于優化電池的結構設計，包括電池殼體、隔膜和氣孔等，以確保在熱失控發生時，電池內部氣體能夠順利釋放，減少堵塞現象，并降低射流的發生概率。

（4）電池熱管理策略制定。射流現象是電池內部能量失控的一種釋放方式，研究射流的速度場可以幫助制定更有效的熱管理策略。通過及時監測電池內部溫度和壓力變化，以及對電池充放電過程進行動態控制，可以預防和控制射流的發生，降低熱失控的風險。

（5）抑制火焰傳播。對射流方向的精確研究，可以幫助合理選擇滅火劑的噴射方向；研究射流速度場有助于了解氧氣在火焰傳播過程中的運動和分布。通過合理設計電池結構或安裝隔離屏障，可以有效阻斷氧氣的供應，減緩火焰的蔓延。

García 等[3]對LCO、NMC、LFP 三種電池的熱失控過程分別進行了可視化拍攝，并分析了射流的流動形態與安全閥結構之間的關系。Mao 等[4]利用COMSOL Multiphysics中的常微分方程組建立了瞬態活性模型來描述三元鋰電池熱失控中的氣體流動和射流火焰。采用阿倫尼烏斯方程描述氣體生成動力學，并對流速進行模擬。Li等[5]采用三維CFD模型研究了18650型三元鋰離子電池在排氣過程中的流場，使用尺度求解模擬方法對得到的平均速度和脈動速度分布進行了研究，并對通風口產生的湍流現象進行了可視化。Zhou等[6]提出了一種根據質量損失估算安全閥處射流速度的方法，發現最大射流速度總是出現在安全閥開啟的瞬間，其值為42.05m/s；此外，對安全閥開啟前的產氣速率進行了定量分析，發現產氣速率隨電池表面溫度升高而增大。這些學者的研究工作多集中對產氣流速的模擬仿真工作上，而對實驗時全局速度場的分析研究較少。基于此，本文采用粒子圖像測速技術對電池熱失控噴閥射流的速度場展開研究分析。在粒子圖像測速技術中，常用的測速算法主要可分為光流法和互相關法。光流算法適用于運動跟蹤、動作識別、物體檢測等任務，具有實時性[7]、非侵入性和適用性廣泛等優點。然而由于其具有光流不唯一性，可能導致在光照變化或紋理缺失的情況下產生不準確的結果[8]，并且在連續圖像序列中進行計算時，可能會因為誤差累積而導致跟蹤的不穩定性。

由于粒子圖像測速技術對視頻圖像的質量要求較高，而電池噴閥射流中，煙氣濃度高，不同相間可能存在明顯的速度差，導致圖像質量受限。在視頻成像過程中可能存在以下一些問題。

（1）運動速度快導致圖像模糊。電池熱失控時，射流速度較高，導致圖像出現運動模糊，從而使視頻圖像質量降低。

（2）液滴分布稀疏。液滴的分布可能較為稀疏，這會導致圖像中能檢測到的顆粒數量有限，從而影響粒子的跟蹤和測速精度，且煙氣的產生也在一定程度上影響辨識清晰度。

（3）不均勻性和渦旋。由于流場中存在各種不均勻性和渦旋，圖像中的顆粒灰度值可能出現較大變化，這會對特征提取和跟蹤算法帶來困難。

（4）存在噪聲。實際拍攝過程中，可能存在各種噪聲，如光照噪聲、傳感器噪聲等，這些噪聲會進一步降低圖像的質量。

為解決以上問題，并考慮到在高溫條件下設計安裝示蹤粒子發射器的困難，本文引入了一系列圖像降噪、增強的方法，彌補了電池噴閥射流過于復雜導致PIV 圖像處理質量低的問題，從而提高了后續流場的計算分析的可靠性；在流場速度場的識別計算方面，本文采用了結合雙高斯亞像素精度插值的互相關算法對噴射流場進行速度場分析，為后續電池熱失控下噴閥射流流場的研究工作提供參考。

1 實驗系統和方法

1.1 實驗系統與工況

該實驗裝置主要包括激光發射系統、電池防爆箱、高速相機、電池熱失控裝置、測溫模塊和計算機，實驗系統示意圖和臺架實物圖分別如圖1、圖2 所示。電池選用18650 圓柱形鋰離子電池，實驗前樣品電池經過10 次標準充放電循環后，充電至100% SOC用于實驗。電池被固定在電池熱失控裝置內，電池的一半側面用銅塊加熱，另一半在中間位置設有熱電偶測溫點，用于測量電池溫度。銅塊側面有6 個測溫孔以便于用熱電偶進行溫度測量。測溫模塊為NI 板卡，其采集所有溫度信息并同步至計算機。該裝置放在電池防爆箱內進行實驗，箱體正面具有較大視角的觀測窗口，便于高速相機成像，左側部也設計有窗口，便于激光進入。

圖1 實驗系統示意圖

圖2 臺架實物圖

激光發射系統工作原理如圖3所示。當激光器電源處于外控狀態時（接受外部頻率信號），外部光閘打開，激光經豎直方向45°反射鏡反射到導光臂內，從導光臂出口輸出激光[9]。在進行激光器的檢查準備工作后，開啟制冷機，連接同步器并設定頻率為3kHz TTL信號，跨幀時間為8μs，脈沖頻寬50μs，電流設定值為12A，隨后打開光閘，輸出波長為527nm、功率為4.9W 的激光。調整導光臂保證激光與電池安全閥的出口為垂直狀態。打開高速相機保持拍攝狀態，相機型號為FORTIC226，具有1024×736的分辨率，跨幀時間為8μs。打開電源對銅塊進行加熱，溫度模塊實時采集并記錄溫度數據，高速相機拍攝電池噴閥射流流場。如圖4 所示，通過對比圖4 中實驗前拍攝到的空白幀和CT掃描得到的樣品電池內部結構圖計算得到實驗拍攝比例尺為1∶0.02098（空白幀中187.54像素長度對應實際長度3.93475mm）。

圖3 激光系統工作原理圖

圖4 比例尺確定

1.2 實驗方法及原理

由于場地設備和環境因素的限制，本實驗無法實現示蹤粒子發射器的設計安裝。因此需要對視頻圖像進行更為嚴格的預處理，以能更清晰地觀察到噴閥射流流場，便于后續進行速度場的辨識分析工作。

綜合考慮高速相機相關電子元器件參數及實驗環境，該實驗視頻成像可能存在以下質量問題：在高速拍攝過程中，由于相機傳感器產生熱量，可能引發熱噪聲，導致圖像中出現隨機的點狀或斑點狀的亮暗變化[10]；在高速拍攝中，由于快門速度和光照條件的影響，可能會出現圖像的亮度不均勻以及運動模糊，尤其對于高速運動的流體，可能會出現大面積無法識別的液團，使圖像細節模糊不清；圖像中可能存在高頻噪聲，表現為圖像中細節或邊緣部分的顆粒狀噪聲。這些問題可能對實驗結果產生一定影響。

綜合考慮，本實驗采用自適應濾波方法對視頻圖像進行預處理，流程圖如圖5所示。首先采用巴特沃斯高通濾波方法（BLPF）對視頻圖像進行處理，以突出視頻圖像液滴的邊緣細節特征，使其在后續處理中更容易檢測和計算。HPF能夠增強圖像中的高頻細節，抑制低頻成分，并一定程度上能減少圖像的背景和噪聲。然后，相較于固定模板的普通高斯濾波，所采用的自適應高斯濾波方法（AGF）能根據圖像的局部特征來調整濾波核的大小和權重，從而更好地適應圖像的變化[11]。在圖像平滑的區域，AGF 能夠更好地降低噪聲，在細節和邊緣特征上的保留效果也更加顯著。這樣的處理方式有助于保持圖像的細節信息并減少處理過程中可能引入的不必要的模糊。最后采用直方圖均衡化（HE）來重新分配射流實驗視頻圖像像素的灰度級，使得圖像的像素值在整個灰度范圍內更均勻分布[12]，從而提高圖像的對比度，并增強細節的顯示效果。

圖5 實驗方法流程圖

本實驗采用基于雙高斯亞像素精度插值的互相關計算方法，其本質是測量兩個圖像之間相似性[13]的計算方法。在每幀圖像中，選擇一個特征模板，該模板通常是一個小的局部圖像區域[14]，用于表示顆粒或物體的特征，接著在另一幀圖像中搜索與特征模板最相似的位置。通過將特征模板和搜索圖像進行卷積計算，并計算卷積結果的相關性來衡量兩個圖像的相似程度。通過分析相關性圖像，找到最大相關性值所在的位置，該位置對應于特征模板在搜索圖像中的最佳匹配位置。然后計算特征模板中心位置和最佳匹配位置之間的位移向量，該位移向量表示顆粒在相鄰圖像幀之間的位移量。最后，根據位移向量和已知的時間間隔，可以計算出顆粒的運動速度。

在互相關計算得到的僅是位移向量（Δx, Δy）粗略的估計值，結合亞像素精度插值來提高測速的精確性和穩定性[15]。其中采用高斯函數對互相關函數進行擬合，以準確找到互相關函數的峰值位置，從而獲得更準確的顆粒位移信息。然而由于顆粒圖像可能存在不均勻的光照、遮擋或顆粒分布不均等問題，單個高斯函數擬合可能無法完全準確地找到峰值。本實驗采用的雙高斯擬合方法能夠更好地處理這些復雜情況，從而提高測速結果的可靠性。然后采用窗函數來消除邊界效應并進一步減小噪聲影響，使得靠近邊界的像素對互相關計算的貢獻較小。其次對多幀圖像進行平均化，以減少隨機誤差。最后進行剔除異常值的后處理工作，以進一步提高測速結果的可靠性和精確性。

2 結果和分析

2.1 視頻流場初分析

圖6中黑色曲線為電池溫度變化曲線，當電池溫度被加熱至150℃時，鋰電池內部達到臨界壓力，安全閥開啟（T=t0時刻標定為安全閥打開的時刻），釋放內部積聚的可燃氣體、電解質蒸氣以及液滴。高速相機拍攝記錄的噴閥射流持續時間約為12000μs。如圖7 所示，提取噴閥射流6 幀原始圖像并對其流場進行初步分析。本實驗研究重點在于對噴閥射流速度場的計算分析，故對實驗后期階段速度場僅作簡要分析和概括。

圖6 電池溫度變化曲線圖

圖7 不同時刻的流場圖

（1）從T=t0+8μs時刻開始，高速相機捕捉到電池正極噴射出稀疏的小液滴。

（2）在T=t0+(8～72μs)該段時間內，液滴大量噴出。射流行為受電池內部的溫度和壓力變化影響，在實驗前期液滴會發生聚并現象從而形成尺寸較大的液團和液絲，該現象與電解液的物性參數如表面張力、黏度等有關，還受到射流速度和安全閥結構的影響。

（3）在T=t0+304μs時，由于液滴受到空氣阻力和浮力等力作用，相較于之前，液滴運動軌跡發生細小變化。液滴與周圍空氣之間存在氣液界面，由于氣液界面上的蒸氣壓力和外界壓力的差異，以及液滴溫度和環境溫度之間的差異，蒸氣會從液滴表面逸出，導致液滴逐漸蒸發和氣化。此時的射流呈明顯氣液兩相狀態，噴霧左側氣液邊界線與水平線夾角大約為45°。

（4）在T=t0+(304～792μs)期間，由于表面液體分子發生氣化，表面張力差異增大，液滴更加不穩定。此外，慣性會導致液滴發生形變和振動，液滴不斷破碎，形成更小的液滴。

（5）在T=t0+2864μs 時可以明顯觀察到，在相變和氣化過程中，電解液的部分成分在氣液界面形成膠狀物質，另一部分形成了一些高聚結構。同時，部分膠狀物質在外部環境的冷卻作用下迅速結為團塊狀物質。

（6）從T=t0+22912μs開始，在后續的時間段內高速相機只能拍攝到稀疏的小液滴，且有部分膠狀物質殘留。

2.2 圖像預處理結果分析

為了避免在直方圖均衡化過程中增強噪聲的影響，在本實驗中采用的視頻圖像預處理的順序安排為：首先，用高通濾波方法對圖像進行銳化處理，以增強圖像的邊緣和細節。接下來采用自適應高斯濾波方法對圖像進行去噪，以有效地減少圖像中的噪聲干擾。最后，對預處理后的圖像進行直方圖均衡化，以提升圖像的對比度和視覺質量。

在圖像增強方面，本實驗選擇在頻域內采用二階巴特沃斯高通濾波方法對視頻圖像進行增強。如圖8 所示，相比于理想高通濾波，二階BHPF 有平滑的過渡區域，不會引起明顯的振鈴效果，從而在空域上產生更自然的結果。此外，其濾波特性可通過調整濾波器的階數和截止頻率來控制，二階BHPF能夠對本實驗的視頻圖像進行較好的增強。

圖8 圖像增強結果對比圖

圖9為采用不同圖像降噪方法處理的結果。在評估圖像去噪效果時，峰值信噪比（PSNR）是一項重要指標，用來衡量原始信號和處理后信號之間的相對誤差，其計算為式(1)。

圖9 圖像去噪結果比較

式中，MAX 是表示圖像中像素值的最大可能值，對于8位灰度圖像，MAX為255。對于多通道的彩色圖像，MAX通常為255，因為它考慮了RGB三個通道的最大像素值。

MSE 是均方誤差，用來衡量兩幅圖像之間的差異。MSE的計算公式為式(2)。

式中，I(i,j)表示原始圖像中位置(i,j)的像素值；K(i,j)表示處理后圖像中位置(i,j)的像素值；m和n分別表示圖像的高度和寬度；mn為像素總數。

通過計算可得采用不同降噪方法后各圖像與原圖像的PSNR值，結果如表1所示。

表1 不同濾波方法處理后的PSNR值

在本實驗中，通過對比PSNR值和對比圖9(b)、（c)、(d)、(e)的處理結果，對采用不同降噪方法對視頻圖像進行處理進行了評估：PSNR 值越大表示圖像質量越好，結果顯示本實驗采用自適應濾波方法能夠對該視頻很好地進行降噪銳化處理。均值濾波對于本實驗中非均勻噪聲的處理效果較差，僅適用于一些簡單的噪聲抑制工作。對于本實驗的視頻圖像，雖然中值濾波得到的PSNR值較高，但其對于較小范圍的噪聲存在過度平滑，導致圖像細節丟失嚴重。與僅采用高斯濾波方法相比，圖9(d)中仍能觀察到較大尺寸的液團，且部分區域仍受到一定程度的噪聲干擾，嚴重影響后續速度場的分析。而經過自適應濾波方法處理后的視頻圖像，能夠更加清晰地辨別出射流液滴，即在去噪的同時保持粒子的邊緣信息，避免產生模糊效果。該方法對高斯核大小進行調整，可自動控制濾波的平滑程度，在圖像中一些稠密且液滴尺寸較小的區域，該方法自動減小高斯核的大小，保留更多的細節信息。

此外，對比圖9(e)、（f），直方圖均衡化能有效增強圖像的對比度，對于降噪銳化后的圖像，該方法處理后使得更小的液滴的邊緣細節更加明顯，從而提高了后續互相關算法的準確性和可靠性。對比度增強后，圖像中液滴和背景之間的灰度差異更加顯著，有利于算法更準確地識別液滴位置。最后，直方圖均衡化還將背景像素的灰度值拉伸到適當范圍，使得背景區域更加均勻，進一步減少了噪聲對檢測和測速的影響，同時也顯著改善了圖像的視覺效果，使圖像更加清晰且便于觀察。

2.3 速度場分析計算

將預處理完成的視頻逐幀進行互相關計算，繪制并提取6個時間點速度場云圖，截取射流高速階段6 幀原圖像如圖10 所示，速度場結果如圖11 所示，分析結果如下。

圖10 不同時刻流場

圖11 不同時刻速度場

（1）在T=t0+80μs時刻，由于電池內部溫度處于較高狀態、內部壓力較大且噴射口尺寸較小，導致出口處射流速度較高，即70～85m/s 的高速區域更集中在出口處。此時流場方向呈現出單一性，大部分速度方向表現出較好的一致性。

（2）在T=t0+328μs 時刻，部分液滴發生氣化現象，加之液滴的不穩定性和相互作用，導致電解液出口處的液滴運動軌跡已發生變化，高速區域向外擴展。

（3）在T=t0+392μs時刻，由于出口速度較高，液體具有較大的動量，而且因為空間擴散，液體流束的橫截面積在增大，導致液體的速度相應地減小。同時考慮空氣阻力等因素，高速區域的速度約為70m/s，相比之前時刻有所下降。然而由于動量守恒原理以及氣液間速度的不一致性，液滴在某些區域的速度可能仍比出口的速度高。在出口的右上部區域中，發生氣化的液滴受到溫度和濃度差異的驅動，其密度會發生改變，在重力場的作用下部分液滴發生對流現象，但速度較小。

（4）在T=t0+496μs 時刻，液滴氣化進一步進行，部分液滴斷裂，各處速度相比前一時刻約下降15m/s。此時的高速區域的速度場仍呈現良好的一致性，但集中區域進一步向外擴展。在出口左方區域出現微弱的渦旋流動現象。

（5）當實驗進展到T=t0+632μs 時，考慮到電池內部化學物質的不穩定性，可能存在短暫突然的激烈化學反應，導致存在部分液體在此時可以以相對高的速度噴出，但相較于實驗初期，高速區域已不再集中，且速度值約下降20m/s。在出口上方部分區域可能存在湍流現象。

（6）最后在T=t0+872μs 時，各個區域的速度明顯下降，各區域速度方向也較之前呈現規律性。此時至后續階段，射流流場具有較好的穩定性。

如圖12 所示，對單點速度場在時間上的變化進行擬合后可發現速度大致呈現為指數式下降趨勢，實驗前期階段液滴速度會在短時間迅速降低，從4000μs后液滴速度呈現緩慢下降趨勢。

圖12 單點速度變化曲線圖

對于射流階段一些特征點可采用人工標定計算出相應的速度，如圖13 所示，該結果可作為上述實驗方法的輔助驗證參考，上述實驗方法計算得到的結果與人工標定方法計算得到的速度處在相同區間中。且互相關算法已經形成了較為系統的理論體系，在一些商業化軟件中已經得到了應用。作為較常用的圖像測速算法，該方法較好地計算出相鄰圖像之間的空間相關性[16]。近年來也不斷有學者在標準互相關算法基礎上進行改進，Gao 等[17]搭建了簡化的PIV裝置，使用全連接神經網絡互相關算法和光流神經網絡算法對射流流場進行了計算對比，此研究的對比基準就是建立在標準互相關算法基礎之上的。該實驗結果具有可靠性。

3 結論

采用粒子圖像測速技術對三元鋰電池在熱失控時的噴閥射流進行了深入研究。采用高通濾波結合自適應高斯濾波方法對視頻圖像進行了銳化和去噪處理，同時采用直方圖均衡化對圖像的灰度范圍進行拉伸。隨后采用結合亞像素精度插值方法的互相關算法對射流流場進行計算，從而實現了噴閥射流流場的可視化和速度場辨識分析。以下為主要結論。

（1）通過對視頻中流場的初步分析發現，在射流初期，液滴會出現聚并現象，受表面張力和溫度差異影響，較大尺寸的液滴以及液絲會出現斷裂破碎。隨著時間推移，流場左側氣液分界線與水平方向夾角也會緩慢減小，最后在出口處形成膠狀物質。

（2）經過自適應濾波處理后，視頻圖像的PSNR 有所提升，能有效降低圖像的噪聲，圖像平滑效果顯著。此外，處理后能從有較大尺寸液團和液絲的模糊圖像中清晰辨別檢測尺寸較小的液滴。直方圖均衡化進一步增強了視頻圖像的對比度，并突出了細節信息。

（3）在射流前期，速度范圍大致在45～85m/s，該階段速度快速下降，射流后期各區域的速度緩慢降低。高速區的集中會出現從出口處附近向外遷移的現象，流場的中心區速度方向呈現良好的一致性，在流場的邊緣區域則會出現對流和湍流等流態現象。

但本文的工作研究仍有不足之處，在以下方面作出總結與展望。

（1）因電池個體差異性，暫未考慮用其他電池在不同焦平面的射流特性來定量驗證此電池在此焦平面的射流特性，后續可研究不同焦平面下射流速度分布的對比結果。

（2）可考慮采用熱線風速儀等傳感器對射流速度場單點速度進行定量分析，作為實驗結果的輔助驗證，進一步提高實驗結果論證的可靠性。

（3）對其他類型電池展開相關研究，以驗證該方法的普遍適用性。